支架式教學(xué)在物理實驗教學(xué)中的應(yīng)用

【摘要】支架式教學(xué)模式在高中教學(xué)中的推廣很好地幫助了學(xué)生對于知識的學(xué)習(xí)和掌握，本文將支架式教學(xué)模式進(jìn)一步應(yīng)用于高中物理實驗“驗證動量守恒定律”一課的教學(xué)，從實驗思路、物理量的測量、實驗操作過程及數(shù)據(jù)分析和結(jié)論總結(jié)四個過程展開，在必要的地方插入適當(dāng)?shù)恼J(rèn)知性支架，幫助學(xué)生學(xué)習(xí)更多的知識.希望通過這種模式教學(xué)，學(xué)生能夠更好地掌握物理實驗的理論知識，為具體實驗操作做好準(zhǔn)備，更加全面地了解實驗的全貌.

【關(guān)鍵詞】支架教學(xué)；高中物理；動量守恒

支架理論是在20世紀(jì)70年代，由美國著名教育學(xué)家、心理學(xué)家布魯納基于維果斯基的“最近發(fā)展區(qū)”理念，結(jié)合建筑行業(yè)中使用的“腳手架”的概念提出［1］REF_Ref18556＼r＼h.近年來我國專家學(xué)者對學(xué)習(xí)支架開始重視并進(jìn)行重點研究，在高中教學(xué)領(lǐng)域也有很多教師開始嘗試將支架式教學(xué)應(yīng)用到實際課堂中并取得不錯效果.支架式教學(xué)模式的整個教學(xué)流程跟常規(guī)教學(xué)類似，不同點在于它的教學(xué)設(shè)計思路更能激發(fā)學(xué)生的思考，即貼近學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)，進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，理解課程內(nèi)容和用意，能借助教師提供的幫助將知識的學(xué)習(xí)延伸開來，從而得到高于課本知識的提升.本文將以“實驗：驗證動量守恒”的支架式教學(xué)為例，詳細(xì)講解支架式教學(xué)模式對高中物理實驗教學(xué)的幫助.

1 支架式教學(xué)的特點

支架式教學(xué)模式的設(shè)計是在現(xiàn)有教學(xué)模式的基礎(chǔ)上稍作調(diào)整和改進(jìn)，使得教學(xué)主體更傾向于學(xué)生，幫助學(xué)生獨立自主學(xué)習(xí)，所以支架式教學(xué)設(shè)計并不貫穿于整個教學(xué)過程，而是存在于教學(xué)中一些必要的位置.在設(shè)置支架時要盡量貼近學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)，最近發(fā)展區(qū)在一定程度上決定著發(fā)展的方向和進(jìn)程，只有適當(dāng)難度的任務(wù)才能促進(jìn)個體的學(xué)習(xí)和進(jìn)步［2］REF_Ref18312＼r＼h.我們要做的就是通過設(shè)置各種認(rèn)知性支架，在已有知識和將學(xué)知識之間建立階梯，把學(xué)生送到他們要到的地方，但是需要他們自己走過去，我們只能起到幫助引導(dǎo)的作用，切不可代替他們?nèi)プ?在學(xué)生順利通過之后我們要及時撤出相關(guān)支架，盡量讓學(xué)生憑借自己的能力走得更遠(yuǎn).

2 具體教學(xué)設(shè)計流程

2.1 實驗思路

2.1.1 實驗?zāi)康暮蛯嶒炐枰獫M足的條件

關(guān)于實驗?zāi)康?、實驗需要滿足的條件，我們可以通過復(fù)習(xí)導(dǎo)入的形式展開，通過對上一節(jié)知識的復(fù)習(xí)回顧引出思考，例如在學(xué)習(xí)機(jī)械能守恒時，教師在引導(dǎo)的時候可以舉前面學(xué)習(xí)的方法和例子，幫助學(xué)生建立物理學(xué)習(xí)的思維邏輯，順理成章地得出本實驗?zāi)康模候炞C動量守恒定律，并由要驗證的實驗得出該實驗必須滿足的條件.

這里我們可以提出以下幾個問題幫助學(xué)生開始學(xué)習(xí).

（1）上節(jié)課我們學(xué)習(xí)了哪些知識？請同學(xué)來回顧一下.

（2）物理是一門實驗科學(xué)，所以通常我們的理論和實驗是相結(jié)合的，光有理論，沒有實驗驗證，那這個理論是不可靠的，所以我們通過推導(dǎo)得到一個理論之后我們通常會干什么？

（3）前面我們的學(xué)習(xí)中有沒有類似的知識的學(xué)習(xí)？

（4）前面我們已經(jīng)通過推導(dǎo)得到了在滿足條件的情況下，動量守恒，下一步，我們需要干什么？

由此，得到這節(jié)課的主要內(nèi)容就是利用實驗驗證動量守恒.動量守恒的條件歸納為：（1）系統(tǒng)不受外力或者所受外力的矢量和為0；（2）系統(tǒng)內(nèi)物體之間的內(nèi)力遠(yuǎn)大于外力；（3）系統(tǒng)所受合外力不為0，但在某一方向上合外力為0，則在系統(tǒng)這一方向上動量守恒.我們只要在這幾種條件中選擇一種進(jìn)行實驗驗證就可以了.通過一個個問題的遞進(jìn)，我們很自然地幫助學(xué)生從已有的知識中找到后續(xù)學(xué)習(xí)的目標(biāo)，并且對接下來要學(xué)習(xí)的知識有了明確的方向.

2.1.2 如何設(shè)計簡化的實驗方案

滿足條件的實驗有很多，如何選擇需要的實驗，要考慮到學(xué)生的能力和實驗室的條件，所以必須綜合多種因素來分析，爭取幫助學(xué)生找到最適合的實驗以達(dá)到目的.

可以設(shè)置如下問題支架幫助學(xué)生思考：

（1）碰撞可以是多維的，一維、二維都有，而設(shè)計的實驗是驗證性實驗，盡量越簡單越好，所以是不是應(yīng)該選擇一維碰撞來驗證動量守恒，生活中哪里可以找到類似的一維碰撞呢？

（2）大家很自然會想到光滑水平面上兩個球之間的碰撞，利用m1v1+m2v2=m1v′1+m2v′2，這里還可以怎么做讓驗更簡單？

（3）動量守恒的表達(dá)式是一個矢量式，如果碰撞過程中速度反向了，又該如何規(guī)定速度呢？

（4）第（2）問中想到光滑水平面上的碰撞，而現(xiàn)實中是沒有光滑的水平面的，那又該怎么辦？

通過這樣4個問題支架，可以成功幫助學(xué)生從眾多的實驗中大致確定需要進(jìn)行的實驗的基本框架，即一維的碰撞，最好是一個運動的物體去碰一個靜止的物體，由于速度方向可能會發(fā)生改變，所以需要先規(guī)定好正方向，與正方向相同的速度為正，相反的則為負(fù).而且要想是光滑的，可以利用氣墊導(dǎo)軌，或者使用木板并平衡摩擦達(dá)到想要的效果.通過這種方法一步步引導(dǎo)學(xué)生思考，從腦中將問題簡化直至找到最優(yōu)方案.

2.2 物理量的測量

研究對象確定后，則需要明確測量的物理量和實驗器材，根據(jù)在實驗思路中的分析，不難看出需要測量的量是質(zhì)量和速度.質(zhì)量的測量是很容易的，可用天平直接測量，而速度的測定方法就很多了，所以我們重點研究速度的測量，看看通過速度的測量能否找到適合實驗的實驗儀器.

2.2.1 如何測量速度

如何測量速度這個問題對于現(xiàn)在的學(xué)生來說并不是什么難題，為了喚醒學(xué)生的記憶，教師可以給一定的時間讓他們回憶前面學(xué)過的實驗以及實驗中采用的測速度的方法.也可以以如下問題進(jìn)行引導(dǎo).

（1）我們進(jìn)入高中學(xué)到的新的計時工具是什么？它除了可以計時，還可以測量哪些量？

（2）除了利用打點計時器打出紙帶求解速度，我們后面又學(xué)了哪個精度更高的測量速度的工具？

（3）除了這些方法，我們還有沒有其他的方法可以測速度？比如某種運動？

這種問題支架的給出就會幫助學(xué)生開始從前往后進(jìn)行回憶，他們會很自然地想到打點計時器是進(jìn)入高中學(xué)到的新的計時工具，它不僅可以計時還可以利用打出來的紙帶測量位移，還可以利用v=x1+x22T來求解某一位置的瞬時速度.后來我們又開始使用光電傳感器，即光電門，它也可以利用v=dt來測速度.這些是直接利用測速工具對速度進(jìn)行測量的，我們也可以利用平拋運動求解速度.這時學(xué)生會接著思考，機(jī)械能守恒時用mgh=12mv2是不是也可以求解速度.所以通過回憶和思考，我們發(fā)現(xiàn)了四種求解速度的方法：利用打點計時器測速、利用光電門測速、利用平拋運動測速、利用機(jī)械能守恒定律測速.

2.2.2 如何選擇合適的實驗器材進(jìn)行實驗

如何選擇合適的實驗器材進(jìn)行實驗，這里可引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)測速度的不同方法去思考采用什么樣的實驗器材.教師可以以某一個測速方法為例講解一下思考過程.比如用光電門測速度時，可以把光電門安裝在哪？木板上、氣墊導(dǎo)軌都可以，這里我們就可以自由搭配，選木板的話則要墊高、平衡摩擦.利用氣墊導(dǎo)軌只要調(diào)到水平就可以了，所以我們可以選擇用木板和光電門的搭配，還可以選擇氣墊導(dǎo)軌和光電門的搭配.原理都是相同的，學(xué)生可以根據(jù)實驗室的器材進(jìn)行合理的選擇.

學(xué)生通過平拋運動求速度的方法發(fā)現(xiàn)可以讓一個小球先不碰做平拋運動，求出它平拋的初速度，也就是它碰前的速度，然后再在斜槽末端放小球進(jìn)行碰撞，兩個小球在碰完以后都做平拋運動，這樣就可以求出它們碰后的速度，就可以研究它們在斜槽末端碰撞的動量守恒了.因此，可以用平拋演示儀裝置驗證動量守恒定律.

除了這些，還可以利用單擺測速驗證動量守恒以及用打點計時器驗證動量守恒，思考過程都可以仿照前面的實驗設(shè)計得出.由此通過速度的測量大致總結(jié)出四種可行的實驗設(shè)計.分別是研究氣墊導(dǎo)軌上滑塊碰撞時的動量守恒、用平拋演示儀裝置驗證動量守恒定律、用單擺測速驗證動量守恒、用打點計時器驗證動量守恒.

2.3 實驗操作過程和數(shù)據(jù)分析

驗證動量守恒這個實驗的思路我們已經(jīng)很清楚了，但是在具體的實驗操作過程中還有很多需要注意的，這里選擇課本中作為案例的兩個實驗為例子來分析一下.

2.3.1 氣墊導(dǎo)軌上滑塊碰撞時的動量守恒

這個實驗的整個流程還是比較清晰的，實驗中需要注意的主要有兩個問題，分別是：

（1）氣墊導(dǎo)軌是否需要調(diào)節(jié)成水平？如果需要，怎樣調(diào)水平？

（2）若碰撞后的速度方向與原方向相反，應(yīng)該怎樣記錄速度？

這兩個問題前面我們都有詳細(xì)的解釋，所以學(xué)生可以很快地給出答案.而第（2）個問題中教師可以進(jìn)一步深入引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思考，碰撞以后的情形會有哪些？學(xué)生會根據(jù)生活中出現(xiàn)的具體碰撞情形總結(jié)，可以一前一后，可以一起走，一開始都靜止，中間放一個壓縮的彈簧，等等，如圖1所示.

我們可以對這些情況一一分析，進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，填入提前設(shè)計的表格，通過計算總結(jié)出碰撞過程中的動量守恒.

2.3.2 用平拋演示儀裝置驗證動量守恒定律

這個實驗的優(yōu)點在于實驗器材易得，實驗比較容易進(jìn)行，結(jié)果也容易獲得.但是實驗本身相對于上一個實驗其實更復(fù)雜，需要教師將實驗分解，一步步地幫助學(xué)生了解整個設(shè)計原理和流程.教師在實驗進(jìn)行之前提出如下問題以便可以給學(xué)生提供思考方向.

（1）實驗器材如何安裝？要裝在什么方向？需要什么工具的幫助？

（2）小球如何選？為什么這樣選擇？小球又如何放置？

（3）碰前碰后的速度如何去測？

（4）小球的落點怎么確定？

（5）最后得到什么樣的結(jié)果才能驗證動量守恒？結(jié)果是否可以進(jìn)一步化簡？

對于這些問題如果學(xué)生能自行解決或通過集體討論解決，教師不必參與，若不行或者方法不妥，教師可通過指導(dǎo)引導(dǎo)學(xué)生向教師設(shè)定的方向去思考，直至解決問題，這一過程就是學(xué)生成長的過程，教師切勿越俎代庖，自行講解這種灌輸式教學(xué)看似快，實則效果不佳.為了更好地去理解這個實驗，也可以開展演示實驗，演示實驗教師可以不做，可將實驗過程分解，叫不同的學(xué)生上來做，做的期間教師一步步提出問題，和學(xué)生一起解決問題.在演示實驗中把各種問題呈現(xiàn)出來并給出解決方案，最后得到一個完整的實驗流程.這樣學(xué)生在進(jìn)行實驗時會更有目的性，也更能從正確的實驗過程中收獲自信和快樂.最后，請學(xué)生進(jìn)行總結(jié)，歸納出完整的思路.這樣后期他們進(jìn)入實驗室進(jìn)行的實驗才是盡可能0失誤的，記錄表中的數(shù)據(jù)和實驗結(jié)論的得出才是更有說服力的.

3 結(jié)語

支架式教學(xué)的重要部分就是教學(xué)設(shè)計，教學(xué)設(shè)計的重點就是要貼近學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)，讓學(xué)生在已有知識的基礎(chǔ)上借助教師設(shè)計的各種支架進(jìn)行攀爬，試著去學(xué)習(xí)新的知識，并達(dá)到預(yù)期的學(xué)習(xí)效果.學(xué)生在課堂中需要有足夠的參與度，而不是單靠教師的直接傳授.對于驗證動量守恒這個實驗，通過理論知識的學(xué)習(xí)，學(xué)生在充分了解了實驗原理和過程以后，進(jìn)入實驗室就會得心應(yīng)手.在高中物理實驗課中應(yīng)用支架式教學(xué)法進(jìn)行教學(xué)，使以往學(xué)生輕視理論部分，急于完成實驗內(nèi)容和對原理理解的不充分導(dǎo)致實驗過程中盲目操作的問題得到了有效解決.

參考文獻(xiàn)：

［1］胡小龍，何盼盼，王平安.基于“支架式教學(xué)模式”的教學(xué)設(shè)計——以“滑動摩擦力”的教學(xué)為例［J］.廣西物理，2023，44（02）：155-157.

［2］韓璐.支架式教學(xué)法在大學(xué)物理實驗教學(xué)中的應(yīng)用［J］.吉林省教育學(xué)院學(xué)報，2016，32（11）：68-70.